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26/11/2019
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Claude HERTOGH, MCUUFR STAPS
Université Antilles
L3 E&M12hCM + 8hTD
Cf. www.univ-ag.fr/uag/staps
M à j. sept 18
BIOMÉCANIQUE 1
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A / DEFINITION
BiologieAnatomie descriptive
Anatomie fonctionnellePhysiologie
MécaniqueMath / physiqueGéométrie
CinématiqueDynamiqueRhéologie
Nouveau regard sur le corps humain… 2
A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux
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• Explorer des propriétés mécaniques des organismes vivant - Analyser les principes
d'ingénerie faisant fonctionner les systèmes biologiques c'est à dire :
Etudier le corps humain et ses fonctions avec l'œil de l'ingénieur
Nouveau regard …≠ anatomie B/ Histoire de la Biomécanique
D'après son objet, la biomécanique est une mécanique appliquée, ses méthodes de recherche sont dérivées de celles de la mécanique. Mais elle ne s'est pas développée dans le sein de la mécanique. Elle est le produit d'autres disciplines sci :
• anatomie, physiologie, sci. du sport, ergonomie…
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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux
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B1/ Qq. dates
• Léonard DE VINCI (1452-1519) s'est intéressé aux mvtsdu corps sous l'angle des lois de la mécanique
• 17e s - BORELLI, médecin et mathématicien italien, fut le 1ier qui détermina expérimentalt la position c de g (loi de borelli chez Kiné)
• En Allemagne, W. et E. WEBER (physiologistes) : étude expérimentale de la marche "Une mécanique de l'appareil humain de la marche" 1836. Théorie d'un mvt pendulaire pur qui fut réfutée par la suite
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Qq. dates (suite)• MAREY mérite notre attention.
Dès 1880, mise au point la chrono-cyclo-photographe et un générateur dynamographique à base pneumatique (Cf. précurseurs)
• début XXe s, DRAUNE et FISCHER étudient la marche. Nouvelle méthode de détermination du c de g.
• En // en URSS, mise au point grand nombre de dynamographes spéciaux destinés à des mesures biologiques sportives (ABALAKOV, test de détente)
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B2/ Les précurseurs
Etienne-Jules Marey & Georges Demenÿ
1ers à avoir une démarche scientifique
Demeny (assistant de Marey) = grand oubliédes inventeurs cinéma. Passionné de sport,
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EJ Marey
Étienne-Jules Marey (1830-1904) physiologiste Fr, considéré a son époque comme un touche-à-tout
atypique = pionnier de la photographie et précurseur du cinéma
8de la photo au mouvement…
En 100 ans..
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Les précurseurs1ière Approche dynamique & cinématique
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Générateur dynamographique à base pneumatique
Chronophotographie
MOUVEMENT conséquence des forces
FORCE cause du mouvement
Trajectoireparabolique Vo et angle
d'envol
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2 époques importantes
1. Révolution indus. ( XIXes ) : physiologie du travail et l'industrie = ERGONOMIE
• Ford : W à la chaîne• Réflexion sur "postes
de travail" qui deviennent + répétitifs
• Amélioration des postes de W / Efficacité de production
Qq. dates (suite)
Qq. dates (suite)
2. Rénovation des Jeux Olympiques : Sport / Politique
Résultats aux JO / représentation de la Nation
ä intérêt de l'amélioration de la technique sportive =
utilisation rationnelle des lois mécaniques appliquées aux APS
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2 époques importantes
C/ ObjectifsTraite des principes de construction du
corps et relations structures / fonctions
• Comprendre les lois de la mécanique etformuler les principes biomécaniquessous-jacents au mouvement
• Identifier facteurs physiologiques qui influencent les fonctions motrices et facteurs limitant
• Améliorer les fonctions motrices, à tous les niveaux, les performances accomplies par ces fonctions
3 orientations
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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux
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D/ Méthodologie
• Techniques de mesures, acquisition et traitement des données =
Biomécanique instrumentale
On définit les moyens suivants
• Théorie & procédures de modélisation : modélisation, simulation, optimisation =Biomécanique théorique
Vidéo..13
A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux
D1/ Biomécanique théorique
La complexité des systèmes réels nous contraint le + souvent à les simplifier afin d’être en mesure de répondre aux questions et aux problèmes qu’ils
soulèvent
Pour cela, on substitue au système réel une représentation physique plus simple que l’on
appelle modèle
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D1/ Notion de modèle
• Modèle empirico statistique : identifier et évaluer les paramètres biomécaniques qui influencent la performance, • basé sur données (cinématiques, cinétiques,
anthropométriques) • et utilisant les statistiques à déterminer
relations entre paramètres choisis et performance (ex. diam cuisse et détente)
D1/ Notion de modèle
• Modèle théorique : Basé sur les connaissances théoriques des structures et fonctions mécaniques du corps humain • modèle simple : corps = CdeG,• modèle mécanique, • modèle musculo-mécanique, • modèle neuro-musculo-squelettique
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D2/ Biomécanique instrumentaleMarey Précurseur &Machine à marcher
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D2/ Biomécanique instrumentaleMéthodes de mesure & traitement des données
= base de tout W sci
1/ Cinésiologie : étude du mvt par ¹ dispositifs • appareils de prise de vues, caméras cinématographiques à vitesse
normale ou élevée, les caméras vidéo, les goniomètres...
• Goniomètres (mesure d'angles entre 2 segments)
• Accéléromètres (Cf. capteurs de force)
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• Prise de vue : de 12 à 4000 images/s à pellicule, VHS, 8mm… numérique
(cout en baisse, utilisation + facile)
• Systèmes optoélectroniquesà Capture du Mvt - données spatio-temporelles en 2 ou 3D
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Capture du mouvement(motion capture en anglais)
de MAREY...
… à aujourd'hui
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Capture du mouvement
…
• Nouvelles méthodes non invasivesscanner, IRM à reconstructions 3D des structures internes
• Spectro-RMN (mesure densité H+ ds l'organisme) :évaluer en temps réel le pH sans prélèvement (promise à un bel avenir ex. en physio. : lactate….)
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2/ Anthropométrie
3/ Électromyographie = entrée neurale du muscle = indicateur indirect de la tension ou de la force musculaire. EMG = paramètre de contrôle de 1ière
importance pour la modélisation du système neuro-musculo-squelettique dynamique (HATZE, 1981)
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4/ Analyse dynamique du mvtLes Mesure des forces
• Les systèmes matriciels de mesure des pressions dans les contacts = dispositifs constitués d'un grd nbrede capteurs de pression disposés sous forme matricielle (éventuellement disposés à l'intérieur d'une chaussure) (Cf. film)
• Les plates-formes à 6 composantes(3F & 3M). Mesure des forces et moments de forces appliqués sur son plateau supérieur
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Plate-forme de forces2 structures rigides indéformables (A & B) reliées
par des capteurs de forces (C)
• La structure inf encastrée tient lieu de cadre rigide (B)• Le plateau (A) sert de support aux appuis. Il restitue
intégralement et sans retard les forces aux capteurs (C), éléments essentiels des plates-formes de forces
Plate-forme de forces. A, le plateau; B, le cadre et C
les capteurs
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Éléments de RDM
Fcontrainte
Poutreencastrée
DEFORMATION
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Éléments de RDM
Poutreencastrée
Fcontrainte
Fibre neutre
craquement
plissement
DEFORMATION
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Éléments de RDM
Poutreencastrée Lg fibre >
Lg Fibre <
DEFORMATION
Fibre de même lg
Jauge decontrainte
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Les capteursGENERALITES Capteur = instrument destiné à transformer une grandeur physique en une grandeur électrique, en vue d'une mesure ou d'une régulation. Grdes qualités (précision, fidélité) et souplesse d'emploi
PRINCIPESPrincipes dérivent des ≠ phénomènes connus de l'électricité (Effets photoélectriques, Piézo-élec., Magnéto-électricité, Inductance mutuelle...)
Capteur = Dispositif mécanique qui, sous l'influence du phénomène à étudier, subit des déformations. Le corps d'épreuve soumis à la mesurande étudiée F à 1ière traduction en une grandeur physique que la jauge d'extensomètrie traduit en grandeur électrique (ASCH G, 1982)
Jauge d'extensomètrie (de contrainte) : théorie = fil subit mêmes déformations que tendu par ses extrémités. Résistance R est proportionnelle à sa longueur / section (l/s):
R = r.l/s r = résistivité29
Capteurs : principes de fonctionnemt
Dispositifs provoque déformation du corps d'épreuve. Ex : F exercée sur barre qui entraîne une déformation DL/L mesurable par variation DR/R de la résistance de la jauge
Connaissant :Relation entre F exercée & déformation du corps d'épreuve
et Relation entre déformation du corps d'épreuve et variation
électrique
On peut connaitre Relation entre F exercée et signal électrique recueilliLe signal obtenu est donc lié à la grandeur physique
recherchéeOn peut ajouter ou retrancher les effets séparés de jauges. (Eliminés phénomènes parasites)30
Éléments de RDM
Pout
re e
ncas
trée
SENS FORCE
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SENS FORCE
SENS FORCE
Avec plusieurs jauges de contrainte on peut trouver la direction et le sens de la contrainte de force …?
Éléments de RDM
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Une plate-forme de forces peut enregistrer les contraintes (des Forces) dans les 3 directions de l'espace (en X,
Y et Z) et des moments de forces autours de ces 3 directions à on parle
de plateforme de forces a 6 composantes
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Mesure d’efforts extérieurs
Effort d'impulsion
-3000
-2500
-2000
-1500
-1000
-500
0
500
0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7
(s)
(N)
Application des capteurs à la mesure de la puissance mécanique explosive P=FV (Panaémax)
et
donc
et
Acc = dérivée vitvit =intégration de acc
Force = masse x accélération NEWTON
accélération = dérivée de la vitesse
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Capteurs (suite RDM)
Attention : si déformations trop importantes et/ou trop permanentes àrisquent d'altérer performance du capteurà déformations non linéaires "phénomène de fluage"
Définition : limite élastique…
Capteurs (suite RDM)Vrai aussi pour muscles, tendons…
Contraintede F
Allongement L
Rupture
0
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Non linéaire
DL
b) phase plastique
b
linéa
ire
a
a) phase élastique
Relation entre contrainte et déformation d'un objet
En biomécanique on ne travaille qu'à 1/100 de la limite élastique pour éviter le fluage
Lim
ite é
last
ique
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Accéléromètres
Utilisent les caractéristiques des capteurs de forces et des jauges de contrainte
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Déformation due à la gravité et à
l'inertie de la sphère
déplacement
E/ ENJEUX de la Biomécanique : Transferer les résultats
biomécaniques fondamentaux vers la pratique, l'entraînement...
Nécessite attention particulière – à la transmission des résultats aux sujets et à l'équipe praticien (entraîneur)– à la fiabilité des mesures p/r paramètres de performance
Condition préalable= Collaboration biomécanicien / praticien
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A/Définition B/historique C/Objectifs D/Méthodologie E/Enjeux